【原创文章】民用飞机发动机布局概述

Original 2017-02-12 Pylon 翼知堂

2016年12月25日，俄罗斯一架图-154飞机在索契附近的黑海海域坠毁，机上92人无人生还。该机型为尾吊3发动机布局飞机，1968年入役，2006年停产，近15年发生了8起比较严重的空难，共造成包括波兰总统卡钦斯基在内的1000多人的死亡，堪称“死亡机型”。

图-154客机尾部发动机特写

笔者认为，不同的发动机布局决定着飞机的使用性能和航线上的运营成本，是民用飞机总体设计重点考虑的问题，但不是飞机是否安全的主要指标。这些意外通常是由于长时间恶劣和极端的天气、频繁的航班、低素质的维修和人为失误，以及飞机的超期服役有关，很少是设计的问题。设计指标、故障率、可维护性、实际油耗等才是市场选择机型的主要参考指标，本文主要通过这些方面简述一下不同发动机布局的特点。

翼根发动机布局

翼根发动机布局是发动机安装在翼根紧靠机身的一种布局。采用这种发动机布局的飞机，发动机与机翼融为一体，所受的迎风面积最小，对机翼的干扰较小。且发动机离机身轴线近，一侧发动机故障所引起的偏航力矩较小。

代表机型是英国德哈维兰公司(deHavilland)的“彗星”客机，它是第一架喷气式民航客机，1949年7月27日首飞。“彗星”号采用了当时的新技术和新材料，被认为在飞行速度、舒适性、载客人数等方面都代表了当时最先进水平的大型喷气式客机，人类从此进入快速、舒适的喷气旅行时代。彗星客机共有13架发生事故而损坏，其中大多数是因金属疲劳以及设计方面缺陷造成的。“彗星”使用了增压座舱，但对客舱加压的结构设计经验不足，长时间飞行以及频繁起降使机体反复承受增压和减压引发了。这也为后来飞机研制解决金属疲劳问题打下了基础。

彗星

以"彗星"客机为基础开发的"猎迷"(Nimrod)海上巡逻反潜机，目前仍为英国皇家空军的反潜主力。

猎迷

苏联的图-104（中国的轰6，目前在大量服役的主力轰炸机）是前苏联研制的双发动机喷气式，是前苏联的第一种。此机型于1955年7月17日首飞成功，1956年9月在莫斯科-伊尔库茨克航线进行首次商业运营，共有3次比较严重的航空事故，于1960年停产，共生产200余架。

图-104

由于翼根发动机布局的发动机离机体的重心最近，飞行控制比较简单，因此，在喷气发动机推力和可靠性都不足的早期，翼根发动机布局在喷气式客机中应用较多，也不失为合理之举。

但这种布局，发动机紧靠机身，噪音很大，炽热喷气流对机身的冲刷较严重。另一个问题是机翼穿过发动机舱和机身连接，在结构上很别扭。而且发动机机舱是为特定的发动机专门设计的，很难改装其他发动机，所以即使发动机技术进步了，也难以容易地应用最新成果，除非重新设计发动机舱，牵扯面较大，成本较高。因此，在第一代喷气式客机之后，这种布局基本上绝迹了。

翼上发动机布局

翼上发动机布局具有对外翼的卸载作用，发动机被置于机翼上方，起落架长度可以减至最短，不仅降低了起落架的重量，也方便乘客上下飞机。但机翼对翼上发动机的噪音没有遮挡，舱内噪音较大，且发动机维修也比较困难。最大的问题是，上翼面的气流速度较快，发动机支架对气流的遮挡所造成的升力和阻力损失比在翼下更严重。采用翼上发动机布局的飞机比较罕见，只有德国多尼尔VFW-614和本田的“本田喷气机”采用这种独特的布局。

VFW-614

“本田喷气机”发动机布局还有一个比较有意思的地方——发动机短舱的后缩。因为现代翼下发动机布局时，都是让发动机尽量前伸，以保证发动机处在干净的气流中，不和机翼发生气动交互作用。

本田喷气机

翼上发动机布局另一个比较特别的情况是安-72（还有实验性的波音YC-14），发动机的喷流直接吹拂过机翼的上表面，加速机翼上表面气流，增加升力，可以实现短距起落。但在巡航中不需要增升时，喷气流也在机翼上表面流过，既增加摩擦带来的喷气损失，也增加机翼表面的烧蚀和结构的热疲劳。

安-72

尾吊发动机布局

在所有的发动机布局中，尾吊发动机的出现是最晚的。这个布局在60年代的欧洲很流行，现代的支线客机也大多采用这个布局，如欧洲的福克100、加拿大Bombardier的CRJ系列、巴西Embraer的EMJ系列，美国的波音、麦道系列以及中国商飞的ARJ系列。

CRJ700

ARJ21

B717

尾吊发动机布局将发动机短舱悬吊在机尾两侧，这样既远离乘客乘坐的机舱，又紧靠机身，在一侧发动机故障时不致引起严重的不平衡推力。这个布局最大的优点是机翼很干净，不用考虑发动机吊舱对升力和阻力的影响。

为合理规避ETOPS提高飞机的安全系数，也有很多尾吊3发布局的机型，如美国的波音727、英国德·哈维兰“三叉戟”和俄罗斯的图-154。

B727机型

在发动机性能还十分有限和对航程需求提高的情况下，尾吊发动机布局还有一种现在少见的布局——4台发动机布局，主要有前苏联时期的伊尔-62和英国原维克斯-阿姆斯特朗公司的VC-10。尾吊4发布局后期维护成本和油耗较高，对于民用航空来说很难维持。并且4个发动机都布置在飞机尾部，飞机重心配平容易出问题，尾段下面的滑轮就是防止飞机起飞时翘头设计的。

伊尔-62

尾吊发动机布局对没有对机翼的卸载作用，且翼根需要加强。另一个问题是机尾发动机占去了平尾的地方，一般要求采用高平尾，这样重量较大的平尾高高在上，垂尾的结构就需要加强。最大的问题依然是发动机短舱，不容易更换发动机，也不容易增减发动机的数目。

中小型飞机的重量小，机翼卸载的要求不高，尾吊发动机布局可以简化和优化机翼设计，并容许起落架长度最短，用飞机自带的小阶梯就可以方便地上下飞机，所以中小型飞机一般采用机尾发动机布局。

翼下发动机布局

自从波音707采用翼下吊挂发动机布局以后，该布局逐渐成为大型喷气式客机的主要形式，因为翼下吊挂发动机布局的有以下优点：

1. 翼下吊挂沉重的发动机可以把一部分重量分散到机翼上去，这样翼根的扭力就部分地被平衡掉，即所谓的卸载作用；
2. 吊挂伸出机翼前缘，可以防止挠性较大的机翼产生颤振现象；
3. 远离机身的布局，使发动机尾流和噪音对机身影响较小；
4. 不侵占机翼的容积，可以提高飞机的装载，存储更多的燃油，增大飞机的航程；
5. 有利于发动机引气，提高发动机的工作效率；
6. 发动机离地低，工作面开敞，维护人员容易接近；
7. 尾吊发动机吊挂的前后梁需占用后货仓空间，翼吊对机身空间无影响。

波音707

随着远程宽体客机迫切需求，波音公司于1965年开始747机型的研发，B747是一种翼吊4发布局飞机。

波音747

波音747虽然引领了宽体客机革命，但在其研制初期却是举步维艰，而且世界上大部分机场的跑道及起降配套设施不能满足其要求。道格拉斯和洛克希德看到有机可乘，提出研制一种载客量比波音747少，却有和波音747相似的航程，可以直接使用当时世界上大部分现有机场的三发宽体喷气客机。为规避美国联邦航空局于1953年推出的双发发动机飞机的“60分钟限制”，在翼吊布局形式下，设计师在DC-10的垂尾根部只增加了一台发动机，就可以设计出满足市场需求的产品，陆续出现了如洛克希德L-1011三星客机、麦道MD-11等3发宽体客机。